// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
/* -*- P4_16 -*- */
#include <core.p4>
#include <v1model.p4>

#define egress_port 7
#define CPU_PORT 510


/*************************************************************************
*********************** H E A D E R S  ***********************************
*************************************************************************/

typedef bit<(egress_port+1+1)>  egressSpec_t;
typedef bit<48> macAddr_t;
typedef bit<32> ip4Addr_t;
typedef bit<128> ipv6Addr_t;
typedef bit<16> PortIdToController_t;

const bit<16> TYPE_IPV4 = 0x800;
const bit<16> TYPE_IPV6 = 0x86dd;
const bit<32> ADDR_REG_SIZE = 128;

header ethernet_h {
    macAddr_t dstAddr;
    macAddr_t srcAddr;
    bit<16>   etherType;
}

header ipv4_h {
    bit<4>    version;
    bit<4>    ihl;
    bit<8>    diffserv;
    bit<16>   totalLen;
    bit<16>   identification;
    bit<3>    flags;
    bit<13>   fragOffset;
    bit<8>    ttl;
    bit<8>    protocol;
    bit<16>   hdrChecksum;
    ip4Addr_t srcAddr;
    ip4Addr_t dstAddr;
}

/* TCP头 */
header tcp_h {
    bit<16> srcPort;    // 源端口（16位）
    bit<16> dstPort;    // 目的端口（16位）
    bit<32> seqNum;     // 序列号（32位）
    bit<32> ackNum;     // 确认号（32位）
    bit<4>  dataOffset; // 数据偏移（4位）
    bit<4>  reserved;   // 保留字段（4位）
    bit<8>  flags;      // 标志位（8位）
    bit<16> window;     // 窗口大小（16位）
    bit<16> checksum;   // 校验和（16位）
    bit<16> urgentPtr;  // 紧急指针（16位）
}

/* UDP头 */
header udp_h {
    bit<16> srcPort;  // 源端口（16位）
    bit<16> dstPort;  // 目的端口（16位）
    bit<16> length;   // 数据长度（16位）
    bit<16> checksum; // 校验和（16位）
}

/* IPv6头 */
header ipv6_h {
    bit<4>  version;        // 版本（4位，固定为6）
    bit<8>  trafficClass;   // 流量类别（8位）
    bit<20> flowLabel;      // 流标签（20位）
    bit<16> payloadLength;  // 有效载荷长度（16位）
    bit<8>  nextHeader;     // 下一个头部类型（8位）
    bit<8>  hopLimit;       // 跳数限制（8位）
    ipv6Addr_t srcAddr;     // 源IPv6地址（128位）
    ipv6Addr_t dstAddr;     // 目的IPv6地址（128位）
}



// 和控制层进行交互的信息格式
enum bit<8> ControllerOpcode_e {
    NO_OP          = 0,
    GENERATE_FIELD_MAP_REQUEST = 1,
    ACQUIRE_ADDR = 2
}

enum bit<8> PuntReason_e {
    UNRECOGNIZED_OPCODE = 1,
    OPERATION_RESPONSE  = 2,
    ACTIVE_REQUEST = 3,
}

@controller_header("packet_in")
header packet_in_header_h {
    PortIdToController_t input_port;
    PuntReason_e         punt_reason;
    ControllerOpcode_e   opcode;
    bit<32> operand0;
    bit<32> operand1;
    bit<32> operand2;
    bit<32> operand3;
    bit<32> operand4;
}

// TODO: 交换机和控制层进行通信时使用注解 @controller_header 后面字段表明解析的报文名称
@controller_header("packet_out")
header packet_out_header_h {
    PortIdToController_t input_port;
    ControllerOpcode_e   opcode;
    bit<32> operand0;
    bit<32> operand1;
    bit<32> operand2;
    bit<32> operand3;
    bit<32> operand4;
}

struct metadata {
    /* empty */
    bit <32> srcIpv4;
    bit <32> dstIpv4;
    bit <32> ipv4;
    bit <128> ipv6;
    bit <128> srcIpv6;
    bit <128> dstIpv6;

    // 地址映射的方向
    bit <1> ipv4_to_6;

    // 协议字段 IPv4报头和IPv6报头里面都有协议字段
    // 但是相同类型的上层协议值却不一样，使用该字段完成映射
    bit <8> protocol;
}

struct headers {
    packet_in_header_h packet_in;
    packet_out_header_h packet_out;
    ethernet_h   ethernet;
    ipv4_h       ipv4;
    ipv6_h ipv6;
    tcp_h tcp;
    udp_h udp;
}

/*************************************************************************
*********************** P A R S E R  ***********************************
*************************************************************************/

parser MyParser(packet_in packet,
                out headers hdr,
                inout metadata meta,
                inout standard_metadata_t standard_metadata) {

    state start {
        transition select(standard_metadata.ingress_port){
            CPU_PORT: parse_packet_out;
            default: parse_ethernet; 
        }
    }
    state parse_packet_out {
        packet.extract(hdr.packet_out);
    }

    state parse_ethernet {
        packet.extract(hdr.ethernet);
        transition select(hdr.ethernet.etherType) {
            TYPE_IPV4: parse_ipv4;
            TYPE_IPV6: parse_ipv6;
            default: accept;
        }
    }

    state parse_ipv4 {
        packet.extract(hdr.ipv4);
        transition accept;
    }
    state parse_ipv6{
        packet.extract(hdr.ipv6);
        transition accept;
    }

}

/*************************************************************************
************   C H E C K S U M    V E R I F I C A T I O N   *************
*************************************************************************/

control MyVerifyChecksum(inout headers hdr, inout metadata meta) {
    apply {  }
}


/*************************************************************************
**************  I N G R E S S   P R O C E S S I N G   *******************
*************************************************************************/


control MyIngress(inout headers hdr,
                  inout metadata meta,
                  inout standard_metadata_t standard_metadata) {
    // 定义和地址转化相关的寄存器
    register<bit<32>>(ADDR_REG_SIZE) ipv4_hash_register;
    register<bit<128>>(ADDR_REG_SIZE) ipv4_to_6_register;
    register<bit<128>>(ADDR_REG_SIZE) ipv6_hash_register;
    register<bit<32>>(ADDR_REG_SIZE) ipv6_to_4_register;

    action drop() {
        mark_to_drop(standard_metadata);
    }

    action ipv4_forward(egressSpec_t port) {
        standard_metadata.egress_spec = port;
        hdr.ipv4.ttl = hdr.ipv4.ttl - 1;
    }

    action ipv6_forward(egressSpec_t port){
        standard_metadata.egress_spec = port;
        hdr.ipv6.hopLimit = hdr.ipv6.hopLimit - 1;
    }

    action set_mac(macAddr_t dstAddr){
        hdr.ethernet.srcAddr = hdr.ethernet.dstAddr;
        hdr.ethernet.dstAddr = dstAddr;
    }

    table mac_set_exact{
        key={
            standard_metadata.egress_spec: exact;
        }
        actions={
            set_mac;
            NoAction;
        }
        default_action = NoAction;
        size = 30;
    }

    table ipv4_lpm{
        key = {
            hdr.ipv4.dstAddr: lpm;
        }
        actions = {
            ipv4_forward;
            drop;
            NoAction;
        }
        size = 1024;
        default_action = drop();
    }

    table ipv6_lpm{
        key={
            hdr.ipv6.dstAddr:lpm;
        }
        actions = {
            ipv6_forward;
            drop;
            NoAction;
        }
        size = 1024;
        default_action = drop();
    }

    // 发送报文给控制器
    action send_to_controller_with_details(
        PuntReason_e       punt_reason,
        ControllerOpcode_e opcode,
        bit<32> operand0,
        bit<32> operand1,
        bit<32> operand2,
        bit<32> operand3,
        bit<32> operand4)
    {
        standard_metadata.egress_spec = CPU_PORT;
        hdr.packet_in.setValid();
        hdr.packet_in.input_port = (PortIdToController_t) standard_metadata.ingress_port;
        hdr.packet_in.opcode = opcode;
        hdr.packet_in.punt_reason = punt_reason;
        hdr.packet_in.operand0 = operand0;
        hdr.packet_in.operand1 = operand1;
        hdr.packet_in.operand2 = operand2;
        hdr.packet_in.operand3 = operand3;
        hdr.packet_in.operand4 = operand4;
    }
    
    // 根据IPv4地址查询IPv6地址
    action addr4_map(){
        bit <32> ipv4_hash;
        hash(ipv4_hash,HashAlgorithm.crc32,32w0,{hdr.ipv4.srcAddr},32w0xffffffff);
        ipv4_hash = ipv4_hash % ADDR_REG_SIZE;
        bit<32> addr;
        ipv4_hash_register.read(addr,ipv4_hash);
        if (addr == hdr.ipv4.srcAddr){
            ipv4_to_6_register.read(meta.srcIpv6,ipv4_hash);
        }else if (addr == 0){
            meta.srcIpv6 = 0;
        }else{
            // 不相等时，处理一次冲突
            ipv4_hash = (ipv4_hash+1) % ADDR_REG_SIZE;
            ipv4_hash_register.read(addr,ipv4_hash);
            if (addr == hdr.ipv4.srcAddr){
                ipv4_to_6_register.read(meta.srcIpv6,ipv4_hash);
            }else{
                meta.srcIpv6 = 0;
            }
        }
        log_msg("ADDR4_MAP : receiving ipv4 packet with ip srcAddr = {} and the corresponded hash = {} and ipv6Addr = {}",{hdr.ipv4.srcAddr,ipv4_hash,meta.srcIpv6});

        hash(ipv4_hash,HashAlgorithm.crc32,32w0,{hdr.ipv4.dstAddr},32w0xffffffff);
        ipv4_hash = ipv4_hash % ADDR_REG_SIZE;
        ipv4_hash_register.read(addr,ipv4_hash);
        if (addr == hdr.ipv4.dstAddr){
            ipv4_to_6_register.read(meta.dstIpv6,ipv4_hash);
        }else if (addr == 0){
            meta.dstIpv6 = 0;
        }else{
            // 不相等时，处理一次冲突
            ipv4_hash = (ipv4_hash+1) % ADDR_REG_SIZE;
            ipv4_hash_register.read(addr,ipv4_hash);
            if (addr == hdr.ipv4.dstAddr){
                ipv4_to_6_register.read(meta.dstIpv6,ipv4_hash);
            }else{
                meta.dstIpv6 = 0;
            }
        }
        log_msg("ADDR4_MAP : receiving ipv4 packet with ip dstAddr = {} and the corresponded hash = {} and ipv6Addr ={}",{hdr.ipv4.dstAddr,ipv4_hash,meta.dstIpv6});
    }

    // 根据IPv6地址查询IPv4地址，有了IPv4地址到IPv6地址的映射，在这里肯定可以找到IPv6到IPv4的地址
    action addr6_map(){
        bit <32> ipv6_hash;
        hash(ipv6_hash,HashAlgorithm.crc32,32w0,{hdr.ipv6.srcAddr},32w0xffffffff);
        ipv6_hash = ipv6_hash % ADDR_REG_SIZE;
        bit<128> addr;
        ipv6_hash_register.read(addr,ipv6_hash);
        if (addr == hdr.ipv6.srcAddr){
            ipv6_to_4_register.read(meta.srcIpv4,ipv6_hash);
        }else if (addr == 0){
            meta.srcIpv4 = 0;
        }else{
            // 不相等时，处理一次冲突
            ipv6_hash = (ipv6_hash+1) % ADDR_REG_SIZE;
            ipv6_hash_register.read(addr,ipv6_hash);
            if (addr == hdr.ipv6.srcAddr){
                ipv6_to_4_register.read(meta.srcIpv4,ipv6_hash);
            }else{
                meta.srcIpv4 = 0;
            }
        }

        log_msg("ADDR6_MAP : receiving ipv6 packet with ip srcAddr = {} and the corresponded hash = {} and ipv4Addr = {}",{hdr.ipv6.srcAddr,ipv6_hash,meta.srcIpv4});

        hash(ipv6_hash,HashAlgorithm.crc32,32w0,{hdr.ipv6.dstAddr},32w0xffffffff);
        ipv6_hash = ipv6_hash % ADDR_REG_SIZE;
        ipv6_hash_register.read(addr,ipv6_hash);
        if (addr == hdr.ipv6.dstAddr){
            ipv6_to_4_register.read(meta.dstIpv4,ipv6_hash);
        }else if (addr == 0){
            meta.dstIpv4 = 0;
        }else{
            // 不相等时，处理一次冲突
            ipv6_hash = (ipv6_hash+1) % ADDR_REG_SIZE;
            ipv6_hash_register.read(addr,ipv6_hash);
            if (addr == hdr.ipv6.dstAddr){
                ipv6_to_4_register.read(meta.dstIpv4,ipv6_hash);
            }else{
                meta.dstIpv4 = 0;
            }
        }
        log_msg("ADDR6_MAP : receiving ipv6 packet with ip dstAddr = {} and the corresponded hash = {} and ipv4Addr ={}",{hdr.ipv6.dstAddr,ipv6_hash,meta.dstIpv4});
    }

    // TODO: 完成字段的映射，不包含protical字段到nextHeader字段的映射
    action ipv4_fileds_to_6(){
        hdr.ipv6.setValid();
        hdr.ipv6.version = 0b0110;
        hdr.ipv6.flowLabel = (bit<20>)hdr.ipv4.identification;
        hdr.ipv6.hopLimit = hdr.ipv4.ttl;
        hdr.ipv6.payloadLength = hdr.ipv4.totalLen - 4 * (bit<16>)hdr.ipv4.ihl;
        hdr.ipv4.setInvalid();
    }
    
    // TODO: 完成字段的映射，不包含protical字段到nextHeader字段的映射
    action ipv6_fields_to_4(){
        hdr.ipv6.setInvalid();
        hdr.ipv4.identification = (bit<16>)hdr.ipv6.flowLabel;
        // todo: 剩余字段映射
        hdr.ipv4.version = 0b0100;
        hdr.ipv4.ihl = 5;
        hdr.ipv4.ttl = hdr.ipv6.hopLimit;
        hdr.ipv4.totalLen = hdr.ipv6.payloadLength + 4 * (bit<16>)hdr.ipv4.ihl;
        hdr.ipv4.setValid();
    }

    // 完成和地址转化相关的几个寄存器的更新
    action addr_register_update(){
        bit <32> ipv4_hash;
        hash(ipv4_hash,HashAlgorithm.crc32,32w0,{meta.ipv4},32w0xffffffff);
        ipv4_hash = ipv4_hash % ADDR_REG_SIZE;
        bit<32> addr;
        ipv4_hash_register.read(addr,ipv4_hash);
        if(addr == 0){
            // ipv4_hash_register.write(ipv4_hash,meta.ipv4);
            // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
        }else if(addr == meta.ipv4){
            // 存在冲突，但是是过期的值
            // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
        }else{
            // 存在真正的冲突
            ipv4_hash = (ipv4_hash+1) % ADDR_REG_SIZE;
            ipv4_hash_register.read(addr,ipv4_hash);
            if(addr ==0){
                // ipv4_hash_register.write(ipv4_hash,meta.ipv4);
                // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
            }else if (addr == meta.ipv4){
                // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
            }else{
                // 依然存在冲突，写入第一次发生冲突时的位置
                ipv4_hash = (ipv4_hash-1+ADDR_REG_SIZE) % ADDR_REG_SIZE;
            }
        }
        // 更新IPv4 地址到IPv6地址的映射关系
        ipv4_hash_register.write(ipv4_hash,meta.ipv4);
        ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
        log_msg("addr_register_update : ipv4 addr = {} and ipv4_hash = {} ,write ipv6 addr = {}",{meta.ipv4,ipv4_hash,meta.ipv6});

        // TODO: 反过来更新IPv6到IPv4的地址映射关系
        bit <32> ipv6_hash;
        hash(ipv6_hash,HashAlgorithm.crc32,32w0,{meta.ipv6},32w0xffffffff);
        ipv6_hash = ipv6_hash % ADDR_REG_SIZE;
        bit<128> addr6;
        ipv6_hash_register.read(addr6,ipv6_hash);
        if(addr6 == 0){
            // ipv4_hash_register.write(ipv4_hash,meta.ipv4);
            // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
        }else if(addr6 == meta.ipv6){
            // 存在冲突，但是是过期的值
            // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
        }else{
            // 存在真正的冲突
            ipv6_hash = (ipv6_hash+1) % ADDR_REG_SIZE;
            ipv6_hash_register.read(addr6,ipv6_hash);
            if(addr6 ==0){
                // ipv4_hash_register.write(ipv4_hash,meta.ipv4);
                // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
            }else if (addr6 == meta.ipv6){
                // ipv4_to_6_register.write(ipv4_hash,meta.ipv6);
            }else{
                // 依然存在冲突，写入第一次发生冲突时的位置
                ipv6_hash = (ipv6_hash-1+ADDR_REG_SIZE) % ADDR_REG_SIZE;
            }
        }
        ipv6_hash_register.write(ipv6_hash,meta.ipv6);
        ipv6_to_4_register.write(ipv6_hash,meta.ipv4);
        log_msg("addr_register_update : ipv6 addr = {} and ipv6_hash = {} ,write ipv4 addr = {}",{meta.ipv6,ipv6_hash,meta.ipv4});

    }

    action protocol_map(bit <8> protocol){
        log_msg("protocol_map_table : protocol is {}",{meta.protocol});
        meta.protocol = protocol;
    }
    table protocol_map_table{
        key={
            meta.ipv4_to_6:exact;
            meta.protocol: exact;
        }
        actions={
            protocol_map;
            NoAction;
        }
        default_action = NoAction;
    }


    apply {
        // 专门使用一个表完成协议字段之间的映射，将结果保存在 meta.protocol 字段中
        if (hdr.ipv4.isValid() || hdr.ipv6.isValid()){

            if (hdr.ipv4.isValid()){
                meta.ipv4_to_6 = 1;
                meta.protocol = (bit<8>)hdr.ipv4.protocol;
            }else{
                meta.ipv4_to_6 = 0;
                meta.protocol = (bit<8>)hdr.ipv6.nextHeader;
            }
            protocol_map_table.apply();
        }
        if (hdr.ipv4.isValid()){
            // 将IPv4流量映射成IPv6流量
            addr4_map(); // 根据IPv4地址获取IPv6地址，保存在meta中
            if (meta.srcIpv6 == 0 || meta.dstIpv6 == 0){
                // TODO: 发送Packet-in报文给控制器
                if (meta.srcIpv6 == 0){
                    send_to_controller_with_details(
                        PuntReason_e.ACTIVE_REQUEST,
                        ControllerOpcode_e.ACQUIRE_ADDR,
                        hdr.ipv4.srcAddr,
                        0,0,0,0
                    );
                }

                if (meta.dstIpv6 == 0){
                    send_to_controller_with_details(
                        PuntReason_e.ACTIVE_REQUEST,
                        ControllerOpcode_e.ACQUIRE_ADDR,
                        hdr.ipv4.dstAddr,
                        0,0,0,0
                    );
                }

            }else{
                // 完成字段的映射，不包含protical字段到nextHeader字段的映射，并且转发报文
                ipv4_fileds_to_6();

                hdr.ipv6.srcAddr = meta.srcIpv6;
                hdr.ipv6.dstAddr = meta.dstIpv6;
                hdr.ipv6.nextHeader = meta.protocol;
                // 修改ethernet type字段
                hdr.ethernet.etherType = 0x86dd;
                ipv6_lpm.apply();
            }
        }else if (hdr.ipv6.isValid()){
            // 在IPv4流量映射成IPv6流量时完成了地址映射，此时直接查询对应寄存器即可
            addr6_map(); // 根据IPv6地址获取IPv4地址，保存在meta中
            ipv6_fields_to_4(); // 完成字段的映射，不包含protical字段到nextHeader字段的映射，并且转发报文
            hdr.ipv4.srcAddr = meta.srcIpv4;
            hdr.ipv4.dstAddr = meta.dstIpv4;
            hdr.ipv4.protocol = meta.protocol;
            // 修改ethernet type字段
            hdr.ethernet.etherType = 0x0800;
            ipv4_lpm.apply(); 
        }else if (hdr.packet_out.isValid()){
            // 处理来自控制器的报文
            switch(hdr.packet_out.opcode){
                ControllerOpcode_e.ACQUIRE_ADDR:{
                    // 根据 packet_in报文里面包含的地址信息完成对和地址相关的4个寄存器的内容的更新
                    meta.ipv4 = hdr.packet_out.operand0;
                    meta.ipv6 = hdr.packet_out.operand1 ++ hdr.packet_out.operand2 ++ hdr.packet_out.operand3 ++ hdr.packet_out.operand4;
                    if (meta.ipv4 == 0 || meta.ipv6 == 0){
                        // TODO: 采用最终获取地址的办法，发送 FILED_MAP_REQUEST 报文给源主机
                    }else{
                        addr_register_update();
                        hdr.packet_in.setInvalid();
                    }
                }
                // TODO: 处理其他类型的 packet_in报文
            }
        }
        // 设置数据链路层的mac地址
        mac_set_exact.apply();
    }
}

/*************************************************************************
****************  E G R E S S   P R O C E S S I N G   *******************
*************************************************************************/

control MyEgress(inout headers hdr,
                 inout metadata meta,
                 inout standard_metadata_t standard_metadata) {
    apply {  }
}

/*************************************************************************
*************   C H E C K S U M    C O M P U T A T I O N   **************
*************************************************************************/

control MyComputeChecksum(inout headers  hdr, inout metadata meta) {
     apply {
        update_checksum(
        hdr.ipv4.isValid(),
            { hdr.ipv4.version,
              hdr.ipv4.ihl,
              hdr.ipv4.diffserv,
              hdr.ipv4.totalLen,
              hdr.ipv4.identification,
              hdr.ipv4.flags,
              hdr.ipv4.fragOffset,
              hdr.ipv4.ttl,
              hdr.ipv4.protocol,
              hdr.ipv4.srcAddr,
              hdr.ipv4.dstAddr },
            hdr.ipv4.hdrChecksum,
            HashAlgorithm.csum16);
    }
}

/*************************************************************************
***********************  D E P A R S E R  *******************************
*************************************************************************/

control MyDeparser(packet_out packet, in headers hdr) {
    apply {
        packet.emit(hdr.packet_in);
        packet.emit(hdr.ethernet);
        packet.emit(hdr.ipv4);
        packet.emit(hdr.ipv6);
    }
}

/*************************************************************************
***********************  S W I T C H  *******************************
*************************************************************************/

V1Switch(
MyParser(),
MyVerifyChecksum(),
MyIngress(),
MyEgress(),
MyComputeChecksum(),
MyDeparser()
) main;
